(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-16
(45)【発行日】2022-11-25
(54)【発明の名称】核物質量計測装置及び核物質量計測方法
(51)【国際特許分類】
G01T 1/167 20060101AFI20221117BHJP
G01N 23/222 20060101ALI20221117BHJP
G01N 23/046 20180101ALI20221117BHJP
G01T 3/00 20060101ALI20221117BHJP
G21K 1/10 20060101ALI20221117BHJP
G21F 9/00 20060101ALI20221117BHJP
G21C 17/00 20060101ALI20221117BHJP
【ＦＩ】
G01T1/167 C
G01N23/222
G01N23/046
G01T3/00 H
G21K1/10 A
G21F9/00 Z
G21C17/00 500
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2018232873
(22)【出願日】2018-12-12
(65)【公開番号】P2020094906
(43)【公開日】2020-06-18
【審査請求日】2021-10-25
(73)【特許権者】
【識別番号】507250427
【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】名雲 靖
(72)【発明者】
【氏名】田所 孝広
(72)【発明者】
【氏名】上野 克宜
(72)【発明者】
【氏名】米谷 豊
【審査官】中尾 太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６１－１００２３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１９２３２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－２８５７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２４８３００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０８２７７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１７４１２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１３６２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／０４１６７５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／２１９４０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】B. Perot, et al.，The characterization of radioactive waste: a critical review of techniques implemented or under development at CEA, France，EPJ Nuclear Sciences & Technologies，ドイツ，European Physical Journal，2018年03月16日，Vol. 4, No. 3，pp. 1-24
【文献】C. Robert-Coutant, et al.，Estimation of the matrix attenuation in heterogeneous radioactive waste drums using dual-energy computed tomography，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，NL，Elsevier，1999年02月04日，Vol. 422，pp. 949-956
【文献】A. L. Lousteau, et al.，Determining 235U enrichment in bulk uranium items using dual-energy interrogation with delayed neutron measurement，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，NL，Elsevier，2018年07月20日，Vol. 904，pp. 74-80
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｔ １／１６７
Ｇ０１Ｎ ２３／２２２
Ｇ０１Ｎ ２３／０４６
Ｇ０１Ｔ ３／００
Ｇ２１Ｋ １／１０
Ｇ２１Ｆ ９／００
Ｇ２１Ｃ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得するＸ線ＣＴ装置と、計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子数を計数する中性子計測装置と、
前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と、実測された前記計測対象物に含まれる核物質量と、の相関関係を表す校正用データを記憶する記憶装置と、
前記分布データに基づいて生成された前記計測対象物の密度及び元素の空間分布を表す３次元データで表されるボクセル毎に前記ボクセル中に存在すると仮定された核物質に対応した放射性同位体の存在比が設定された計算体系を用いて、前記中性子計測装置における計測系で計測される中性子数を数値解析によって模擬するシミュレーション装置と、
前記数値解析で求められた中性子数と前記校正用データとを比較し、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を補正して、前記計測対象物に含まれる核物質量を求める算出装置と、を備える核物質量計測装置。
【請求項2】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記中性子計測装置は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上の中性子線を出射可能な中性子線源を有する核物質量計測装置。
【請求項3】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記Ｘ線ＣＴ装置は、電子線形加速器を電子線源として有する高エネルギ型Ｘ線ＣＴ装置である核物質量計測装置。
【請求項4】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記Ｘ線ＣＴ装置は、ライン状に配列したＸ線検出器を有するシングルスライス型Ｘ線ＣＴ装置である核物質量計測装置。
【請求項5】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線を円錐状に出射するＸ線源と、面状に配列したＸ線検出器と、を有するコーンビーム型Ｘ線ＣＴ装置である核物質量計測装置。
【請求項6】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記Ｘ線ＣＴ装置は、前記計測対象物が設置される試料台と前記Ｘ線を検出するＸ線検出器との間、又は、前記計測対象物が設置される試料台と前記Ｘ線を出射するＸ線源との間に、Ｘ線を減弱させる着脱自在なＸ線アブソーバを有するマルチエネルギ型Ｘ線ＣＴ装置である核物質量計測装置。
【請求項7】
請求項１に記載の核物質量計測装置であって、前記Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線を減弱させるＸ線アブソーバを移動させる可動装置を有するマルチエネルギ型Ｘ線ＣＴ装置であり、
前記可動装置は、前記Ｘ線の行路内に、前記Ｘ線アブソーバを進退可能である核物質量計測装置。
【請求項8】
互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得するＸ線ＣＴ装置と、計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子数を計数する中性子計測装置と、
を備える核物質量計測装置を用いた核物質量計測方法であって、
互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得する工程と、
前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子を計数する工程と、
前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と、実測された前記計測対象物に含まれる核物質量と、の相関関係を求める工程と、
前記分布データに基づいて前記計測対象物の密度及び元素の空間分布を表す３次元データを生成する工程と、
前記３次元データで表されるボクセル毎に前記ボクセル中に存在すると仮定された核物質に対応した放射性同位体の存在比を設定して計算体系を構築し、前記計算体系を用いて前記中性子計測装置における計測系で計測される中性子数を数値解析によって模擬する工程と、
前記数値解析で求められた中性子数と前記相関関係とを比較し、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を補正して、前記計測対象物に含まれる核物質量を求める工程と、を含む核物質量計測方法。
【請求項9】
請求項８に記載の核物質量計測方法であって、前記数値解析で求められた中性子数と前記相関関係とを比較して、前記計測対象物の中性子数の減衰率を求め、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を前記減衰率を用いた逆算で補正して、前記計測対象物に含まれる核物質量を求める核物質量計測方法。
【請求項10】
請求項８に記載の核物質量計測方法であって、前記Ｘ線ＣＴ装置における計測系で前記計測対象物にＸ線を照射することなく前記計測対象物から放射されるＸ線を検出して計測データを取得する工程を含み、
取得した前記投影データを前記計測データでフィルタ処理してから前記３次元データを生成する核物質量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子力施設や核燃料施設で発生した放射性固体廃棄物に含まれる核物質量を計測する核物質量計測装置及び核物質量計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
核物質を取り扱う原子力発電施設、核燃料再処理施設等では、施設の稼働時や廃止措置時に、放射性固体廃棄物が発生する。放射能レベルが低い低レベル放射性廃棄物は、ドラム缶等の容器内にセメント、アスファルト等で固化されて廃棄されている。また、放射能レベルが高い高レベル放射性廃棄物は、金属缶等の容器内にガラス、セメント等で固化されて廃棄されている。放射性固体廃棄物は、ウラン、プルトニウム等の種々の核物質を含むため、廃棄の際には、核物質量を非破壊的に定量することが求められる。
【0003】
核物質量を非破壊的に定量する方法としては、計測対象物が放射する中性子・ガンマ線を検出するパッシブ法や、計測対象物に中性子線・ガンマ線を照射して核反応を誘起し、核反応により計測対象物から出射される中性子・ガンマ線を検出するアクティブ法等がある。これらの方法のうち、中性子を照射・検出するアクティブ中性子法は、高精度な定量法として、放射性固体廃棄物の査察時等に用いられている。
【0004】
アクティブ中性子法では、計測対象物に照射する中性子線として、パルス状に発生する高速中性子線が用いられている。計測対象物に誘起させる核反応としては、多くの場合、核分裂反応が利用されている。計測対象物に中性子を照射し、計測対象物から出射される中性子を中性子検出器で計数することによって、放射性固体廃棄物中の固化体等に含まれる核物質量が非破壊的に定量されている。
【0005】
従来、アクティブ中性子法による定量の精度を向上させる技術が開発されている。特許文献１には、中性子を放射性廃棄物に照射するステップと、中性子数を測定するステップと、放射性廃棄物中の核分裂性物質量を算出するステップと、を有する核分裂性物質量の測定方法が記載されている。中性子吸収特性や中性子減速特性は物質毎に異なるところ、特許文献１の測定方法では、核分裂中性子の消滅時間（Die-away time）と中性子の総カウント数との相関関係を校正試験やシミュレーションに基づいて補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１４－１７４１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
放射性固体廃棄物は、容器や固化体等の中に、材質や大きさが異なる種々の内容物を混在していることがある。種々の内容物は、放射性固体廃棄物中における存在分布だけでなく、ホウ素、ガドリニウム等が混在している場合のように、中性子に対する特性の分布も一様でない可能性がある。放射性固体廃棄物中に、内容物の偏在や、中性子に対する特性の偏りがある場合、正確な核物質量に対応した中性子数が計数されなくなるため、核物質量の定量の精度が低くなるという課題がある。
【0008】
特許文献１に記載された測定方法によると、放射性固体廃棄物中の内容物が均一である場合には、核分裂中性子の消滅時間と中性子の総カウント数との相関関係に基づく補正が正しく機能するといえる。しかし、内容物が偏在している場合や、中性子に対する特性が大きく異なる物質が混在している場合には、中性子の自己遮蔽や吸収による影響が内容物の分布に応じて変わるため、正確な定量を行うことが困難である。
【0009】
そこで、本発明は、計測対象物に核物質が不均一に含まれている場合であっても、核物質量を高精度で非破壊的に定量することができる核物質量計測装置及び核物質量計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するために本発明に係る核物質量計測装置は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得するＸ線ＣＴ装置と、計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子数を計数する中性子計測装置と、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と、実測された前記計測対象物に含まれる核物質量と、の相関関係を表す校正用データを記憶する記憶装置と、前記分布データに基づいて生成された前記計測対象物の密度及び元素の空間分布を表す３次元データで表されるボクセル毎に前記ボクセル中に存在すると仮定された核物質に対応した放射性同位体の存在比が設定された計算体系を用いて、前記中性子計測装置における計測系で計測される中性子数を数値解析によって模擬するシミュレーション装置と、前記数値解析で求められた中性子数と前記校正用データとを比較し、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を補正して、前記計測対象物に含まれる核物質量を求める算出装置と、を備える。
【0011】
また、本発明に係る核物質量計測方法は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得するＸ線ＣＴ装置と、計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子数を計数する中性子計測装置と、を備える核物質量計測装置を用いた核物質量計測方法であって、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、前記エネルギ域毎に前記計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出して前記エネルギ域毎の投影データを生成し、前記投影データを再構成して逆投影による分布データを取得する工程と、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、前記計測対象物から出射する中性子を計数する工程と、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と、実測された前記計測対象物に含まれる核物質量と、の相関関係を求める工程と、前記分布データに基づいて前記計測対象物の密度及び元素の空間分布を表す３次元データを生成する工程と、前記３次元データで表されるボクセル毎に前記ボクセル中に存在すると仮定された核物質に対応した放射性同位体の存在比を設定して計算体系を構築し、前記計算体系を用いて前記中性子計測装置における計測系で計測される中性子数を数値解析によって模擬する工程と、前記数値解析で求められた中性子数と前記相関関係とを比較し、前記中性子計測装置における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を補正して、前記計測対象物に含まれる核物質量を求める工程と、を含む。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る核物質量計測装置及び核物質量計測方法によると、計測対象物に核物質が不均一に含まれている場合であっても、核物質量を高精度で非破壊的に定量することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の実施形態に係る核物質量計測装置の構成を示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る核物質量計測装置の構成例を示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る核物質量計測方法を示すフローチャートである。
【図4】中性子検出器によって検出される中性子数と時間との関係を示す図である。
【図5】３次元分布データの生成及び構造について説明する図である。
【図6A】核物質量計測方法の流れについて説明する図である。
【図6B】核物質量計測方法の流れについて説明する図である。
【図6C】核物質量計測方法の流れについて説明する図である。
【図7】本発明の変形例に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
【図8】本発明の変形例に係る中性子計測装置の構成を示す図である。
【図9】本発明の変形例に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
【図10】Ｘ線アブソーバの作用について説明する図である。
【図11】本発明の変形例に係る核物質量計測方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の一実施形態に係る核物質量計測装置、及び、核物質量計測方法について説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0015】
＜核物質量計測装置＞
図１は、本発明の実施形態に係る核物質量計測装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る核物質量計測装置は、Ｘ線ＣＴ装置１００と、中性子計測装置２００と、３次元データ化装置３００と、中性子計測シミュレーション装置（シミュレーション装置）４００と、核物質量算出装置（算出装置）５００と、を備えている。Ｘ線ＣＴ装置１００は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射するマルチエネルギ型（デュアルエネルギ型）Ｘ線ＣＴ装置とされる。
図１は、本発明の実施形態に係る核物質量計測装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る核物質量計測装置は、Ｘ線ＣＴ装置１００と、中性子計測装置２００と、３次元データ化装置３００と、中性子計測シミュレーション装置（シミュレーション装置）４００と、核物質量算出装置（算出装置）５００と、を備えている。Ｘ線ＣＴ装置１００は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射するマルチエネルギ型（デュアルエネルギ型）Ｘ線ＣＴ装置とされる。
【0016】
Ｘ線ＣＴ装置１００は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を計測対象物に照射し、エネルギ域毎に計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出してエネルギ域毎の投影データを生成し、投影データを再構成して逆投影による透過Ｘ線の減弱率の空間分布のデータ（分布データ）を取得する。マルチエネルギ型のＸ線ＣＴ装置によると、エネルギ域毎の透過Ｘ線の減弱率の違いが計測されるため、計測対象物に含まれる元素（原子番号Ｚ）を弁別することができる。そのため、内容物の偏在や中性子に対する特性の偏りを核物質量の定量に反映させることができる。
【0017】
図１に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１００は、Ｘ線照射装置（Ｘ線源）１０１と、Ｘ線検出器１０２と、回転テーブル１０３と、Ｘ線ＣＴ制御装置１２１と、ＣＴデータ収集装置１２２と、ＣＴ画像化装置１２３と、を有している。図１に示すＸ線ＣＴ装置１００は、計測対象物の一つの断層毎にＸ線ＣＴ画像を撮像するシングルスライス型Ｘ線ＣＴ装置とされている。
【0018】
Ｘ線照射装置１０１は、計測対象物にＸ線を照射するための装置であり、ターゲットに対する電子線の衝突によってＸ線を発生する装置が備えられる。図１において、Ｘ線照射装置１０１としては、Ｘ線を扇状に出射して計測対象物に照射するファンビーム型Ｘ線照射装置が備えられている。Ｘ線照射装置１０１とＸ線検出器１０２とは、回転テーブル１０３を挟んで対向するように設置されている。
【0019】
Ｘ線照射装置１０１には、Ｘ線源として、例えば、タングステン、モリブデン等の金属ターゲットが備えられる。また、Ｘ線源が発生したＸ線のビーム形を成形するコリメータや、線質を調整するフィルタが備えられる。Ｘ線照射装置１０１の電子線源としては、電子線形加速器（linear accelerator：ＬＩＮＡＣ）が備えられている。
【0020】
電子線形加速器には、小サイズの装置で、透過力が高い高エネルギのＸ線を発生させる装置がある。このような電子線形加速器を電子線源として用いると、計測対象物を透過する高エネルギのＸ線を発生させることができる。また、電子線形加速器には、加速電子のパルス毎にエネルギ域が異なるＸ線を発生させる装置がある。このような装置を用いると、一つのＸ線源でマルチエネルギ型の計測を行うことができる。
【0021】
Ｘ線検出器１０２は、計測対象物に照射されて透過したＸ線（透過Ｘ線）を検出する装置である。Ｘ線検出器１０２は、透過Ｘ線を検出して、その検出信号をＣＴデータ収集装置１２２に出力する。Ｘ線検出器１０２としては、例えば、フォトンカウンティング方式等の半導体検出器、シンチレーション検出器等の適宜のＸ線検出素子がライン状に配列した検出素子アレイを備えることができる。
【0022】
回転テーブル１０３は、計測対象物を設置する試料台であり、不図示の回転駆動機構によって回転可能に設けられる。Ｘ線の計測時、回転テーブル１０３は、計測対象物を載せて回転し、計測対象物が回転する間に、計測対象物に対するＸ線の照射と透過Ｘ線の検出とが行われる。このような計測により、計測対象物の一つの断層について、Ｘ線のエネルギ域毎に、Ｘ線強度の計測データが得られる。
【0023】
Ｘ線ＣＴ制御装置１２１は、Ｘ線ＣＴ装置１００における各機器の動作や処理を制御する。Ｘ線ＣＴ制御装置１２１は、例えば、Ｘ線照射装置１０１におけるＸ線の発生、Ｘ線検出器１０２による透過Ｘ線の検出のタイミング、回転テーブル１０３の回転動作等を制御する。また、Ｘ線の計測時、計測対象物の全体に対するＸ線の走査を順次行い、計測対象物の全体を網羅する多数の計測データの取得を制御する。
【0024】
ＣＴデータ収集装置１２２は、Ｘ線検出器１０２が検出したＸ線強度の計測信号を、増幅、Ａ／Ｄ変換して、計測データを生成する。Ｘ線強度の計測データは、Ｘ線のエネルギ域毎、及び、計測対象物の断層毎に収集される。ＣＴデータ収集装置１２２は、収集した計測データをＣＴ画像化装置１２３に出力する。
【0025】
ＣＴ画像化装置１２３は、ＣＴデータ収集装置１２２が収集した計測データから投影データを生成し、投影データを断層毎に再構成して、逆投影による透過Ｘ線の減弱率の空間分布のデータ（分布データ）を生成する。投影データは、線減弱係数をＸ線の行路毎に積算したデータであり、透過Ｘ線の減弱率の投影座標分布の情報を含むデータである。投影データは、収集された計測データから透過Ｘ線の減弱率を計算し、対数変換を行うことによって生成される。投影データには、ＣＴ画像を生成する過程で、各種のフィルタ処理や、フィルタ補正逆投影法、コンボリューション逆投影法、逐次近似法等の再構成演算が行われる。再構成演算によって、ＣＴ画像の基になる分布データが生成される。分布データは、計測対象物の断層に対応した画素の位置情報と、画素毎の線減弱係数（μ）の情報を含むデータである。
【0026】
従来、Ｘ線ＣＴ装置としては、シングルエネルギ型のＸ線ＣＴ装置が一般的に用いられている。シングルエネルギ型のＸ線ＣＴ装置では、１種類のエネルギ域のＸ線を計測対象物に照射し、計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出することによって、計測対象物の断層における透過Ｘ線の減弱率の空間分布を示す分布データが生成される。しかし、１種類のエネルギ域のＸ線を用いた計測によると、線減弱係数に対する質量減弱係数の寄与と密度（厚さ）の寄与とを区別することができないため、元素の種類を弁別することができない。
【0027】
これに対し、マルチエネルギ型のＸ線ＣＴ装置１００では、互いにエネルギ域が異なるＸ線を照射し、それぞれのエネルギ域毎に計測対象物を透過した透過Ｘ線を検出するため、計測対象物に含まれる元素の種類や原子番号Ｚを弁別することができる。Ｘ線が計測対象物を透過するとき、Ｘ線の減弱の程度は、Ｘ線のエネルギや物質の種類によって異なるため、マルチエネルギ型の計測によると、物質に固有な質量減弱係数から、ＣＴ画像中に現れる元素の弁別を行うことができる。
【0028】
ＣＴ画像化装置１２３では、計測に用いられるＸ線のエネルギ域が１種類の場合、断層毎の透過Ｘ線の減弱率の空間分布を示す２次元分布データが得られるが、計測に用いられるＸ線のエネルギ域が２種類以上の場合には、分布データ同士の比較に基づいて、断層毎の計測対象物の元素（原子番号Ｚ）の空間分布を示す２次元分布データが得られる。マルチエネルギ型の計測の場合、２次元分布データは、画素毎の線減弱係数（μ）から計算される元素（原子番号Ｚ）の情報を含むデータとして得ることができる。
【0029】
但し、Ｘ線ＣＴ装置１００では、計測対象物の密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布の情報は得られるものの、計測対象物に含まれる放射性同位体を弁別することができず、計測対象物に含まれる核物質量を正確に定量することはできない。そのため、本実施形態に係る核物質量計測装置では、Ｘ線ＣＴ装置１００を用いたＸ線の計測に加え、中性子計測装置２００を用いた中性子の計測を行う。
【0030】
中性子計測装置２００は、計測対象物に中性子線を照射して核反応を誘起し、計測対象物から出射する中性子数を計数する装置である。本実施形態に係る核物質量計測装置では、中性子計測装置２００は、核物質量が未知の計測対象物についての中性子の計測と、核物質量が既知の計測対象物についての中性子の計測と、の両方に用いられる。核物質量が既知の計測対象物についての中性子の計測は、後記するとおり、校正用データを用意するために行われる。
【0031】
図１に示すように、中性子計測装置２００は、中性子線源２０１と、中性子検出器２０２と、回転テーブル２０３と、中性子計測制御装置２２１と、中性子計測データ収集装置２２２と、記憶装置２９１と、を有している。中性子線源２０１、中性子検出器２０２及び回転テーブル２０３は、中性子遮蔽材や中性子減速材で形成された筐体内に設置されている。
【0032】
中性子線源２０１は、中性子を出射して計測対象物に照射するための装置である。中性子線源２０１としては、パルス状の中性子線を発生する装置が利用される。例えば、重水素と三重水素との核融合反応（Ｄ－Ｔ反応）や、重水素と重水素との核融合反応（Ｄ－Ｄ反応）を利用した、イオン源、小型加速器、ターゲット等を備える中性子発生管を用いることができる。Ｄ－Ｔ反応で発生する中性子のエネルギは、約１４．１ＭｅＶである。また、Ｄ－Ｄ反応で発生する中性子のエネルギは、約２．５ＭｅＶである。このような中性子線源２０１を用いると、計測対象物にパルス状の高速中性子線を照射することができる。
【0033】
中性子検出器２０２は、計測対象物に中性子線を照射したとき、計測対象物から出射する中性子を検出する装置である。中性子検出器２０２としては、例えば、ヘリウム３、ホウ素１０等を利用した比例計数管や、シンチレータを利用したシンチレーション検出器等の適宜の中性子検出器を備えることができる。
【0034】
回転テーブル２０３は、計測対象物を設置する試料台であり、不図示の回転駆動機構によって所定の回転速度で回転可能に設けられる。中性子の計測時、回転テーブル２０３は、計測対象物を載せて回転し、計測対象物が回転する間に、計測対象物に対する中性子線の照射と中性子の計数とが行われる。このような計測により、計測対象物の水平面毎に平均化された中性子数が計数される。
【0035】
中性子計測制御装置２２１は、中性子計測装置２００における各機器の動作や処理を制御する。中性子計測制御装置２２１は、例えば、中性子線源２０１による中性子の発生、中性子検出器２０２による中性子の計数、回転テーブル２０３の回転動作等を制御する。
【0036】
中性子計測データ収集装置２２２は、中性子の計測により得られる中性子数データを、中性子検出器２０２から収集する。中性子数データは、中性子線の照射後に検出された経過時間毎の中性子数の情報を含むデータである。中性子計測データ収集装置２２２は、中性子の計測により得られた中性子数データを核物質量算出装置５００に出力することができる。また、核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数データを、核物質量と紐付けてデータベース化し、校正用データとして記憶装置２９１に出力することができる。
【0037】
記憶装置２９１は、校正用データを記憶するために備えられる。記憶装置２９１は、ハードディスク、フラッシュメモリ、光ディスク等の適宜の装置とされる。記憶装置２９１は、中性子計測データ収集装置２２２から出力される校正用データを記憶し、核物質量を求める計算処理の際に、校正用データを核物質量算出装置５００に出力する。
【0038】
校正用データは、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と、実測された計測対象物に含まれる核物質量と、の相関関係を表すデータである。校正用データは、核物質量の定量において検量線として機能し、核物質量が未知の計測対象物について計測された中性子数を、核物質の分布や自己遮蔽・吸収の影響を加味して補正するために用いられる。
【0039】
校正用データは、核物質量が未知の計測対象物の計測に用いる計測系と同じ計測系、すなわち、核物質量を定量しようとしている計測対象物の計測に用いる中性子計測装置２００を用いて、核物質量が既知の試料から出射される中性子数を計数することにより、作成することができる。校正用データは、核物質量値を変えた複数の試料について中性子の計測を行い、種々の核物質量値と中性子数の実測値との相関関係を表すテーブル、関数等として用意しておくことができる。
【0040】
３次元データ化装置３００は、Ｘ線ＣＴ装置１００が取得した分布データに基づいて、計測対象物の密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す３次元分布データを生成する装置である。３次元データ化装置３００は、シングルスライスの計測の場合、計測対象物１０の全体を網羅した多数の２次元分布データを、３次元のボリュームデータに再構成して、ボクセルデータとして表される３次元分布データを生成する。マルチエネルギ型の計測の場合、３次元分布データは、計測対象物の立体形状に対応したボクセル毎の線減弱係数（μ）から計算される密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の情報を含むデータとして得ることができる。
【0041】
中性子計測シミュレーション装置４００は、３次元データ化装置３００が生成した３次元分布データに基づいて、中性子計測装置２００における計測系で計測される中性数を数値解析によって模擬する。中性子計測シミュレーション装置４００では、中性子計測装置２００における計測系を模擬した計測系データに、計測対象物１０の３次元分布データが組み込まれて、数値解析のための計算体系が構築される。このような計算体系上で、中性子の計測を模擬した中性子の輸送計算や中性子の反応計算を行うことにより、中性子数のデータとして中性子時間スペクトルが得られる。
【0042】
中性子計測シミュレーション装置４００には、中性子計測装置２００における計測系を模擬した計測系データとして、中性子線源２０１による中性子の発生時間、中性子線幅、中性子線形等や、中性子線源２０１や中性子検出器２０２の幾何学的配置等のデータが用意される。数値解析法としては、中性子の輸送計算や中性子の反応計算を行える手法であれば、特に制限されるものではない。数値解析法としては、決定論的手法及び確率論的手法のいずれを用いることもできるが、モンテカルロ法が好ましく用いられる。計算コードや核データとしては、汎用されている一般的な種類を用いることができる。
【0043】
核物質量算出装置５００は、中性子計測シミュレーション装置４００における数値解析で求められた中性子数と、記憶装置２９１に用意された校正用データとを比較し、校正用データ上の核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数に対する、数値解析で求められた中性子数の割合である、中性子数の減衰率を求める計算処理を行う。また、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を減衰率を用いた逆算で補正して、核物質量が未知の計測対象物に含まれる核物質量を求める計算処理を行う。
【0044】
３次元データ化装置３００、中性子計測シミュレーション装置４００、及び、核物質量算出装置５００は、単一又は複数のコンピュータ等によって構成することができる。これらの装置には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、集積回路等の演算装置や、ＲＡＭ（Random access memory）、ＲＯＭ（Read only memory）、ハードディスク、フラッシュメモリ、光ディスク等の記憶装置や、キーボード、マウス、タッチパッド等の入力装置や、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ブラウン管等の表示装置が備えられる。
【0045】
図２は、本発明の実施形態に係る核物質量計測装置の構成例を示す図である。
図２に示すように、核物質量計測装置には、ファンビーム型Ｘ線照射装置１０１を備えるＸ線ＣＴ装置１００に、昇降装置１０４を備えることができる。また、核物質量計測装置には、搬送機構（２１，２２，２３）を備えることができる。
図２に示すように、核物質量計測装置には、ファンビーム型Ｘ線照射装置１０１を備えるＸ線ＣＴ装置１００に、昇降装置１０４を備えることができる。また、核物質量計測装置には、搬送機構（２１，２２，２３）を備えることができる。
【0046】
昇降装置１０４は、ファンビーム１０５で計測される計測対象物１０を、Ｘ線照射装置１０１に対して相対移動させるために備えられる。昇降装置１０４は、回転テーブル１０３を支持し、回転テーブル１０３を鉛直方向に沿って昇降動作させる。昇降装置１０４の昇降動作は、Ｘ線ＣＴ制御装置１２１によって、予め設定した所定の移動量（ピッチ）となるように制御することができる。
【0047】
Ｘ線ＣＴ装置１００は、Ｘ線を扇状に出射するファンビーム型Ｘ線照射装置（Ｘ線源）１０１と、複数のＸ線検出素子が１次元的に配列したＸ線検出器１０２と、を備えている。Ｘ線ＣＴ装置１００では、計測対象物１０を回転テーブル１０３上に載置し、計測対象物１０にファンビーム１０５を照射し、回転テーブル１０３によって計測対象物１０を回転させながら、３６０°全ての方向からＸ線を照射し、３６０°全ての方向に透過した透過Ｘ線を、線状に配列したＸ線検出器１０２で検出する。このような計測により、計測対象物１０の断層（シングルスライス）の計測データが得られる。
【0048】
Ｘ線ＣＴ装置１００では、シングルスライスの撮像毎に、昇降装置１０４によって、所定の移動量で、計測対象物１０を上昇又は下降させて、計測対象物１０の異なる断層について、シングルスライスの撮像を順次繰り返す。このような計測により、計測対象物１０の全体を網羅した多数の計測データが得られる。シングルスライス型Ｘ線ＣＴ装置によると、計測対象物１０の断層毎に計測が行われるため、Ｘ線強度の計測精度や分布データの解像度を高くすることができる。
【0049】
搬送機構（２１，２２，２３）は、Ｘ線ＣＴ装置１００と中性子計測装置２００との間で、計測対象物１０を自動的に搬送するために備えられている。搬送機構（２１，２２，２３）は、ガイドレール２１と、支持構造２２と、把持装置２３と、によって構成されている。
【0050】
ガイドレール２１は、Ｘ線ＣＴ装置１００と中性子計測装置２００との間に架され、把持装置２３の装置間の移動を所定の軌道内で案内する。把持装置２３は、Ｘ線ＣＴ装置１００から中性子計測装置２００への移動、及び、中性子計測装置２００からＸ線ＣＴ装置１００への移動のいずれも可能とされる。支持構造２２は、ガイドレール２１を核物質量計測装置の所定の位置に支持している。
【0051】
把持装置２３は、ガイドレール２１上を移動自在に設けられており、計測対象物１０となる放射性固体廃棄物を把持することができる。把持装置２３は、ガイドレール２１上から、Ｘ線ＣＴ装置１００の回転テーブル１０３上や、中性子計測装置２００の回転テーブル２０３上に、昇降可能に設けられる。把持装置２３の把持・開放、進退等の動作は、自動制御としてもよいし、手動制御としてもよい。
【0052】
把持装置２３は、計測対象物１０を、Ｘ線ＣＴ装置１００の回転テーブル１０３上から中性子計測装置２００の回転テーブル２０３上まで搬送したり、中性子計測装置２００の回転テーブル２０３上からＸ線ＣＴ装置１００の回転テーブル１０３上まで搬送したりすることができる。そのため、このような搬送機構（２１，２２，２３）によると、計測者の被曝を避けることが可能になり、核物質量の定量を安全に行うことができる。
【0053】
中性子計測装置２００では、計測対象物１０を回転テーブル２０３上に載置し、中性子線源２０１によってパルス状の中性子線を発生させ、回転テーブル２０３によって計測対象物１０を回転させながら、計測対象物１０に中性子線を照射し、中性子検出器２０２によって計測対象物１０から出射された中性子を検出する。このような計測により、中性子検出器２０２で検出される中性子数が中性子線の発生時から起算される経過時間と紐付けられた中性子時間スペクトルのデータが得られる。
【0054】
なお、図２において、中性子計測装置２００は、上部に開閉自在な入出口が設けられており、把持装置２３は、計測対象物１０を上方から把持・開放するように設けられている。しかしながら、計測対象物１０が機器に干渉しない場合等には、計測対象物１０を側方から把持・開放するように設けてもよい。また、把持装置２３に代えて、吊持装置、吸引装置等のように、計測対象物１０を着脱自在な他の搬送機構を利用してもよい。
【0055】
＜核物質量計測方法＞
次に、本発明の実施形態に係る核物質量計測方法について具体的に説明する。
次に、本発明の実施形態に係る核物質量計測方法について具体的に説明する。
【0056】
図３は、本発明の実施形態に係る核物質量計測方法を示すフローチャートである。
図３に示すように、本実施形態に係る核物質量計測方法は、Ｘ線ＣＴ装置１００で行うＸ線計測工程Ｓ１００と、中性子計測装置２００で行う中性子計測工程Ｓ２００と、３次元データ化装置３００で行う３次元データ化工程Ｓ３００と、中性子計測シミュレーション装置４００で行う数値解析工程Ｓ４００と、核物質量算出装置（算出装置）５００で行う計算工程Ｓ５００と、核物質量計測装置で行う移送工程Ｓ６００と、を含む。
図３に示すように、本実施形態に係る核物質量計測方法は、Ｘ線ＣＴ装置１００で行うＸ線計測工程Ｓ１００と、中性子計測装置２００で行う中性子計測工程Ｓ２００と、３次元データ化装置３００で行う３次元データ化工程Ｓ３００と、中性子計測シミュレーション装置４００で行う数値解析工程Ｓ４００と、核物質量算出装置（算出装置）５００で行う計算工程Ｓ５００と、核物質量計測装置で行う移送工程Ｓ６００と、を含む。
【0057】
Ｘ線計測工程Ｓ１００では、はじめに、核物質量の定量に用いる互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線について、エネルギ域毎のエアデータを取得する（ステップＳ１０１）。エアデータは、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線のそれぞれについて、個別にＸ線の計測を行い、核物質量の定量に用いるＸ線のエネルギ域毎に取得する。
【0058】
エアデータとは、Ｘ線ＣＴ装置１００における計測系で、計測対象物１０にＸ線を照射することなく、空気中を進んだＸ線を検出して得るデータである。エアデータは、Ｘ線の出力や検出器の校正、バックグラウンドの除去に用いられる。エアデータは、Ｘ線ＣＴ装置１００における計測系で、回転テーブル１０３上に計測対象物１０を置かず、Ｘ線検出器１０２によって非透過のＸ線を検出することによって得ることができる。
【0059】
続いて、核物質量を定量しようとしている計測対象物１０について、Ｘ線ＣＴ画像の撮像を行い、計測対象物１０の計測データを得る（ステップＳ１０２）。Ｘ線ＣＴ画像の撮像は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線のそれぞれについて、計測対象物１０の全体を網羅するようにＸ線を走査して行い、計測対象物１０の全体を網羅する多数のＣＴデータをＸ線のエネルギ域毎に取得する。
【0060】
続いて、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線のうち、１種のエネルギ域のＸ線を用いて取得した計測データと、これと同じエネルギ域のＸ線を用いて取得したエアデータとから、透過Ｘ線の減弱率の空間分布を求めて、計測対象物１０の密度（σ）の空間分布を表す２次元分布データを生成する（ステップＳ１０３）。
【0061】
また、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線のうち、１種のエネルギ域のＸ線を用いて取得した計測データと、これと同じエネルギ域のＸ線を用いて取得したエアデータとから、透過Ｘ線の減弱率の空間分布を求めて２次元分布データを生成し、これとは異なるエネルギ域のＸ線を用いて、同様に２次元分布データを生成し、生成した互いにエネルギ域が異なるＸ線による２次元分布データ同士から、元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す２次元分布データを生成する（ステップＳ１０４）。
【0062】
個々の２次元分布データは、取得した計測データをエアデータで校正し、投影データに対する再構成演算を行うことによって生成することができる。なお、エアデータによる校正は、対数変換後のデータに減算処理で行ってもよいし、対数変換前のデータに除算処理で行ってもよい。
【0063】
例えば、画素毎の密度（σ）のデータ（密度値）は、線減弱係数を既知のデータと比較する方法等によって導出することができる。また、元素（原子番号Ｚ）のデータ（原子番号値）は、互いにエネルギ域が異なるＸ線で求めた２次元分布データ同士で、基底物質分解、重み付け減算処理等で物質の弁別を行い、弁別された物質毎の線減弱係数を既知のデータと比較する方法や、実効原子番号を直接計算する方法等によって導出することができる。
【0064】
なお、これらの２次元分布データは、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線を用いてエネルギ域毎に２次元分布データを生成し、これらの２次元分布データを組み合わせて、再構成演算後に合成する方法や、再構成演算前に密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布に関する情報を織り込み、投影データから直接生成する方法等のいずれを用いて生成してもよい。
【0065】
次に、核物質量を定量しようとしている計測対象物１０を、Ｘ線ＣＴ装置１００から中性子計測装置２００に移送する（ステップＳ６００）。なお、本実施形態においては、Ｘ線ＣＴ装置１００を用いたＸ線計測工程Ｓ１００を先に行い、中性子計測装置２００を用いた中性子計測工程Ｓ２００を後に行うものとしているが、これらの工程を実施する順序は、特に制限されるものではない。中性子計測工程Ｓ２００を先に行い、Ｘ線計測工程Ｓ１００を後に行ってもよい。
【0066】
中性子計測工程Ｓ２００では、計測対象物１０に中性子線を照射して核反応を誘起し、計測対象物１０から出射する中性子を計数する（ステップＳ２０１）。核物質量を定量しようとしている計測対象物１０を、回転テーブル２０３によって所定の回転速度で回転させながら、計測対象物１０に中性子線を照射して核反応を誘起し、計測対象物１０から出射される中性子を検出する。
【0067】
また、中性子計測工程Ｓ２００では、核物質量を定量しようとしている計測対象物１０とは別に、核物質量が既知の計測対象物について中性子数を実測し、校正用データを作成する（ステップＳ２１０）。核物質量が既知の計測対象物についての計測は、核物質量が未知の計測対象物の計測に用いる計測系と同じ計測系を用いて行う。すなわち、核物質量を定量しようとしている計測対象物の計測に用いる中性子計測装置２００を用いて、中性子線源、計測対象物や機器の幾何学的配置、計測対象物の回転動作等を同一の条件として、計測対象物から出射される中性子数を計数する。
【0068】
図４は、中性子検出器によって検出される中性子数と時間との関係を示す図である。
図４には、中性子線の単パルスを試料に照射したときに、中性子検出器によって検出される中性子数の計数結果を例示している。図において、横軸は、単パルスを発生させた時点から起算される経過時間、縦軸は、時間毎に検出される中性子数（ｃｏｕｎｔ）を示す。
図４には、中性子線の単パルスを試料に照射したときに、中性子検出器によって検出される中性子数の計数結果を例示している。図において、横軸は、単パルスを発生させた時点から起算される経過時間、縦軸は、時間毎に検出される中性子数（ｃｏｕｎｔ）を示す。
【0069】
図４に示すように、時間と中性子数との関係を表す中性子時間スペクトル中には、大きく分けて三つの領域が現れる。単パルスを試料に照射した直後には、中性子線源が発生させた中性子成分、例えば、高速中性子等が検出される。高速中性子は、早期に減衰し、中性子数が比較的急速に減少していく。その後、試料に照射された中性子によって核反応が誘起され、核分裂性物質が発生させた中性子成分が検出される。核分裂性物質が発生させた中性子成分は、比較的緩速で減少していく。最終的には、バックグラウンドの中性子成分、例えば、熱中性子等が検出されるようになる。
【0070】
中性子時間スペクトル中に現れる三つの領域のうち、中間期に検出される核分裂性物質に由来する中性子数は、試料に含まれる核物質量と相関がある。この期間に検出される総中性子数（図４の網掛けの領域の面積）が試料に含まれる核物質量と比例関係になることが知られている。
【0071】
そのため、核物質量が既知の計測対象物について中性子数を実測し、実測された中性子数と、その核物質量と、の相関関係を求めておくと、その相関関係と、同一の計測系で核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数とから、その実測された中性子数に対応した核物質量を求めることができる。中性子計測装置２００では、このような相関関係を表す校正用データ（ステップＳ２１０）を、記憶装置２９１に記憶させておき、核物質量を求める計算処理の際に読み出すことができる。
【0072】
図３に示すように、３次元データ化工程Ｓ３００では、Ｘ線ＣＴ装置１００が取得した計測対象物１０の密度（σ）の空間分布を表す２次元分布データ及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す２次元分布データを用いて、３次元のボリュームデータへの再構成を行い、計測対象物１０の密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す３次元分布データ（３次元データ）を生成する（ステップＳ３００）。
【0073】
図５は、３次元分布データの生成及び構造について説明する図である。
図５に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１００を用いて計測対象物１０の計測を行うと、計測対象物１０の全体を網羅する多数の２次元ＣＴ画像５１を生成することができる。このような２次元ＣＴ画像５１に対応した密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布の情報を記述するデータとしては、計測対象物１０の断層毎の２次元分布データが得られる。計測対象物１０が低密度物質５２と高密度物質５３とを含む場合、密度の違いによってＸ線の減弱の程度が異なるため、２次元ＣＴ画像５１には、ＣＴ値の相違によるコントラストが現れる。
図５に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１００を用いて計測対象物１０の計測を行うと、計測対象物１０の全体を網羅する多数の２次元ＣＴ画像５１を生成することができる。このような２次元ＣＴ画像５１に対応した密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布の情報を記述するデータとしては、計測対象物１０の断層毎の２次元分布データが得られる。計測対象物１０が低密度物質５２と高密度物質５３とを含む場合、密度の違いによってＸ線の減弱の程度が異なるため、２次元ＣＴ画像５１には、ＣＴ値の相違によるコントラストが現れる。
【0074】
このような多数の２次元ＣＴ画像５１を、計測した方向及び順序にしたがって積み重ねると、計測対象物１０中の密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布が反映された３次元立体画像６１を再構成することができる。このような３次元ＣＴ画像６１に対応した密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布の情報を記述するデータとしては、計測対象物１０の３次元分布データが得られる。
【0075】
３次元分布データは、計測対象物１０を、立方体又は直方体のボクセルの集合で構成されるボクセルデータの形式で表すことができる。計測対象物１０が、低密度物質５２や高密度物質５３のように互いに異なる物質を含んでいる場合、これらの物質の分布や、原子番号毎に異なる中性子に対する特性の分布は、ボクセル毎に紐付けられる原子番号Ｚに基づいてボクセルデータ上で判別することができる。
【0076】
図３に示すように、数値解析工程Ｓ４００では、はじめに、３次元分布データ（３次元データ）を、数値解析のモデルとして中性子計測シミュレーション装置４００に入力する（ステップＳ４０１）。３次元分布データには、計測対象物１０の幾何学的形状や、計測対象物１０を構成する物質の分布や、計測対象物１０を構成する物質の物性の情報に加え、ボクセル毎の放射性同位体の種類ないし存在比の情報が紐付けられる。このような３次元分布データを、中性子計測装置２００における計測系を模擬した計測系データに組み込むことによって、数値解析のための計算体系を定義することができる。
【0077】
続いて、中性子計測装置における計測系を数値解析によって模擬した中性子計測シミュレーションを実施する（ステップＳ４０２）。数値解析では、計測対象物１０に含まれる核原料物質、核分裂性物質等の核物質が、その元素（原子番号Ｚ）に対応した全てのボクセル中に均等に存在すると仮定して数値解析を行うことができる。各ボクセルには、原子炉の燃焼度等に基づいて、任意の放射性同位体の種類ないし存在比を設定して計算体系を定義することができる。
【0078】
通常、計測対象物１０は、中性子に対する特性が異なる物質が偏在している場合や、中性子に対する特性が大きく異なる物質が分布している場合には、所定の中性子線を照射したとき、中性子の自己遮蔽や吸収を起こすため、出射する中性子数が減少する傾向を示す。元素（原子番号Ｚ）を弁別した３次元分布データを組み込んで数値解析の計算体系を定義し、この計算体系を用いて中性子の輸送計算や反応計算を行うと、核物質の分布や自己遮蔽・吸収の影響に起因する中性子数の減衰率を数値解析上で求めることができる。
【0079】
次に、計算工程Ｓ５００では、中性子計測シミュレーション装置４００による数値解析で求められた中性子数と、中性子計測装置２００の記憶装置２９１に記憶されている校正用データと、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が未知の計測対象物１０について実測された中性子数と、を用いて計算処理を行い、計測対象物１０に含まれる核物質量を求める。
【0080】
はじめに、中性子計測シミュレーション装置４００による数値解析で求められた中性子数と、中性子計測装置２００の記憶装置２９１に記憶されている校正用データとを比較して、核物質の分布や自己遮蔽・吸収の影響に起因する計測対象物１０の中性子数の減衰率を求める（ステップＳ５０１）。
【0081】
続いて、中性子計測装置２００における計測系で核物質量値が未知の計測対象物１０について実測された中性子数を、減衰率を用いた逆算で補正して、核物質量を定量しようとしている計測対象物１０に含まれる核物質量を求める（ステップＳ５０２）。
【0082】
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、核物質量計測方法の流れについて説明する図である。
図６Ａは、中性子計測装置２００で行う中性子計測工程Ｓ２００、図６Ｂは、中性子計測シミュレーション装置４００で行う数値解析工程Ｓ４００、図６Ｃは、核物質量算出装置５００で行う計算工程Ｓ５００に対応している。
図６Ａは、中性子計測装置２００で行う中性子計測工程Ｓ２００、図６Ｂは、中性子計測シミュレーション装置４００で行う数値解析工程Ｓ４００、図６Ｃは、核物質量算出装置５００で行う計算工程Ｓ５００に対応している。
【0083】
図６Ａに示すように、中性子計測工程Ｓ２００では、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が既知の計測対象物１０ａについて中性子数を実測することにより、中性子時間スペクトルが得られる。核物質量が既知の計測対象物１０ａとしては、ウラン２３５（Ｕ－２３５）を用いた例を示す。核物質量が既知の計測対象物１０ａは、中性子の自己遮蔽や吸収の影響を避ける観点から、母材が無い核物質のみの状態で計測することが好ましい。
【0084】
中性子計測工程Ｓ２００で得られる中性子時間スペクトルは、中性子計測装置２００における計測系で計測される核分裂性物質が発生した中性子数と、計測対象物１０ａに含まれる核物質量と、の相関関係を示している。中性子の計測を、ｍ０（ｇ）、ｍ１（ｇ）、ｍ２（ｇ）等のように種々の核物質量に変えて行うと、中性子数と核物質量との相関関係が種々の数値に対して求まり、検量線として機能する校正用データが得られる。
【0085】
次に、図６Ｂに示すように、数値解析工程Ｓ４００では、中性子計測シミュレーション装置４００に３次元分布データ４１０を入力し、中性子計測装置２００における計測系を表すデータに組み込むことにより、数値解析に用いる計算体系４２０が定義される。このような計算体系４２０を定義すると、放射性固体廃棄物の内容物の分布や中性子に対する特性の分布が不明であっても、マルチエネルギ型のＸ線計測で確認された密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す分布データによって、核物質量の定量に核物質の分布や自己遮蔽・吸収の影響を、中性子の輸送計算や中性子の反応計算に反映させることができる。また、元素毎の総重量を求めることができるため、校正用データから、核物質量が近い適切なデータを取得することができる。
【0086】
３次元分布データ４１０としては、計測対象物１０の密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表すボクセルデータを入力する。具体的には、元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表すボクセルデータから、ウラン（Ｕ：原子番号９２）を表すボクセルを特定し、密度（σ）の空間分布を表すボクセルデータから、ウランを表すボクセルと同じ位置のボクセルの密度データを取得する。そして、取得した密度データと、ボクセルの体積と、に基づいて、そのボクセルが表す空間に存在するウランの重量を算出し、ウランを表す全てのボクセルについて、これらの空間に存在するウランの重量を合計する。
【0087】
ボクセルデータで表される３次元分布データ（３次元データ）４１０は、計測対象物１０に含まれる放射性同位体の情報を含んでいないため、ウランの総重量に対するＵ－２３５の重量割合は、原子炉における燃焼度等を用いて仮定的に設定する。任意の条件で設定したＵ－２３５の重量割合をウランの総重量に乗算し、その計算値をウランを表す全てのボクセルに均等に配分する。このような条件で３次元分布データ４１０を入力して計算体系４２０を定義すると、Ｘ線計測では弁別することができない放射性同位体比による影響を低減することができる。
【0088】
図６Ｂに示すように、数値解析によって求められるシミュレーション結果では、同等の総重量のウランを含む核物質量が既知の計測対象物１０ａについて実測された結果と比較して、核分裂性物質に由来する総中性子数（図６Ｂの網掛けの領域の面積）が、ある割合で減少する。このように所定の元素の総重量が同等になる条件で、中性子計測シミュレーション装置４００による数値解析で求められた中性子数と、中性子計測装置２００の記憶装置２９１に記憶されている校正用データとを比較すると、核物質量が既知の計測対象物１０ａについて得られた中性子時間スペクトルが示す総中性子数（図６Ｂのドットの領域の面積）に対する、数値解析によって求められた中性子時間スペクトルが示す総中性子数（図６Ｂの斜線の領域の面積）の割合として、計測対象物１０の中性子数の減衰率が求まる。
【0089】
次に、図６Ｃに示すように、核物質量算出装置５００に、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が未知の計測対象物１０ｂについて実測された中性子数を入力し、中性子計測装置２００における計測系で核物質量が未知の計測対象物１０ｂについて実測された中性子数を、中性子数の減衰率の逆数である補正率で補正する、すなわち、減衰率で除算すると、核物質量が未知の計測対象物１０ｂに含まれる核物質量が求まる。補正による計算結果では、所定の元素の総重量が同等になる条件のとき、核物質量が未知の計測対象物１０ｂについて実測された結果と比較して、核分裂性物質に由来する総中性子数（図６Ｃのドットの領域の面積）が増加する。このようにして算出される計算結果は、核物質の分布や自己遮蔽・吸収の影響が反映されており、計測対象物１０の核物質量の真値に近くなる。
【0090】
したがって、以上の核物質量計測装置及び核物質量計測方法によると、計測対象物の密度（σ）及び元素（原子番号Ｚ）の空間分布を表す３次元分布データに基づく数値解析で求められた中性子数と、核物質量が既知の計測対象物について実測された中性子数と核物質量との相関関係とを比較して、核物質量が未知の計測対象物について実測された中性子数を補正するため、計測対象物に核物質が不均一に含まれている場合であっても、核物質量を高精度で非破壊的に定量することができる。
【0091】
次に、本発明の変形例に係る核物質量計測装置、及び、核物質量計測方法について説明する。
【0092】
図７は、本発明の変形例に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
図７に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、ファンビーム型のＸ線を照射するＸ線ＣＴ装置１００に代えて、コーンビーム型のＸ線を照射するＸ線ＣＴ装置（変形例に係るＸ線ＣＴ装置）１５０を備えることもできる。
図７に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、ファンビーム型のＸ線を照射するＸ線ＣＴ装置１００に代えて、コーンビーム型のＸ線を照射するＸ線ＣＴ装置（変形例に係るＸ線ＣＴ装置）１５０を備えることもできる。
【0093】
変形例に係るＸ線ＣＴ装置１５０は、Ｘ線を円錐状に出射して計測対象物に照射するＸ線照射装置（Ｘ線源）１５１と、計測対象物に照射されて計測対象物を透過したＸ線（透過Ｘ線）を検出するＸ線検出素子が面状に配列したＸ線検出器１５２と、計測対象物を載せて回転させる回転テーブル１０３と、を有している。Ｘ線ＣＴ装置１５０には、コーンビーム型のＸ線による計測に対応した、Ｘ線ＣＴ制御装置１２１と、ＣＴデータ収集装置１２２と、ＣＴ画像化装置１２３と、が備えられる。
【0094】
変形例に係るＸ線ＣＴ装置１５０では、コーンビーム型のＸ線１５５を計測対象物１０の全体に照射し、その透過Ｘ線を面状のＸ線検出器１５２で検出して、１回のＸ線ＣＴ撮像で、計測対象物１０の全体を網羅する計測データを取得することができる。また、Ｘ線ＣＴ装置１５０が備えるＣＴ画像化装置１２３では、ＦＤＫ法等の再構成演算によって、投影データから直接的に３次元分布データを生成することができる。
【0095】
ファンビーム型のＸ線１０５の場合、一つの断層の撮像を繰り返す必要がある。これに対し、変形例に係るＸ線ＣＴ装置１５０によると、コーンビーム型のＸ線１５５によって、３次元分布データを１回の撮像で生成することができる。そのため、一つの計測対象物１０についての計測時間を、大幅に短縮することができる。
【0096】
図８は、本発明の変形例に係る中性子計測装置の構成を示す図である。
図８に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上の中性子線を出射可能な中性子線源を有する中性子計測装置（変形例に係る中性子計測装置）２５０を備えることもできる。
図８に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、互いにエネルギ域が異なる２種類以上の中性子線を出射可能な中性子線源を有する中性子計測装置（変形例に係る中性子計測装置）２５０を備えることもできる。
【0097】
変形例に係る中性子計測装置２５０は、Ｄ－Ｔ反応によって中性子を出射する中性子線源２０１Ａと、Ｄ－Ｄ反応によって中性子を出射する中性子線源２０１Ｂと、中性子検出器２０２と、回転テーブル２０３と、中性子計測制御装置２２１と、中性子計測データ収集装置２２２と、記憶装置２９１と、を有している。
【0098】
変形例に係る中性子計測装置２５０では、はじめに、一方の中性子線源２０１Ａを所定の照射位置に移動させる。そして、照射位置に移動させた中性子線源２０１Ａから、計測対象物１０に中性子線を照射して核反応を誘起し、計測対象物１０から出射する中性子を計数して、中性子時間スペクトルを取得する。
【0099】
続いて、一方の中性子線源２０１Ａを照射位置から退かせ、他方の中性子線源２０１Ｂを照射位置に移動させる。そして、照射位置に移動させた中性子線源２０１Ｂから、計測対象物１０に中性子線を照射して核反応を誘起し、計測対象物１０から出射する中性子を計数して、中性子線源２０１Ａと同等の条件で中性子時間スペクトルを取得する。
【0100】
中性子線と物質との反応確率や中性子線の減衰率は、中性子のエネルギによって、互いに相違する。これに対し、変形例に係る中性子計測装置２５０によると、２種類の中性子線源（２０１Ａ，２０１Ｂ）によって、互いにエネルギ域が異なる２種類以上の中性子線を照射するため、異なる中性子エネルギスペクトルを得ることができる。互いに異なる中性子エネルギスペクトルを解析すると、計測対象物１０に含まれる核物質を弁別することができる場合がある。
【0101】
例えば、高速中性子に対する反応断面積が大きいＰｕ－２３９が出射した中性子と、熱中性子に対する反応断面積が大きいＵ－２３５が出射した中性子とを、検出される中性子のエネルギの分布によって弁別することができる。また、計測対象物１０に含まれる中性子吸収材の影響を解析することができる。このような中性子エネルギの情報は、３次元分布データに追加して、より正確な数値解析を行うことができる。
【0102】
図９は、本発明の変形例に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
図９に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、Ｘ線を減弱させるＸ線アブソーバを用いたＸ線ＣＴ装置（変形例に係るＸ線ＣＴ装置）１６０を備えることもできる。
図９に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測装置は、Ｘ線を減弱させるＸ線アブソーバを用いたＸ線ＣＴ装置（変形例に係るＸ線ＣＴ装置）１６０を備えることもできる。
【0103】
変形例に係るＸ線ＣＴ装置１６０は、Ｘ線照射装置（Ｘ線源）１０１と、Ｘ線検出器１０２と、回転テーブル１０３と、昇降装置１０４と、Ｘ線アブソーバ１１１と、可動装置１１４と、を有している。
【0104】
Ｘ線アブソーバ１１１は、Ｘ線のエネルギの一部を吸収するＸ線吸収体であり、入射したＸ線を減弱させて透過Ｘ線を出射する。Ｘ線アブソーバ１１１としては、Ｘ線の吸収断面積が大きい物体、例えば、鉄、鉛、タングステン等を用いることができる。
【0105】
可動装置１１４は、Ｘ線を減弱させるＸ線アブソーバ１１１を移動させるための装置であり、回転テーブル（試料台）１０３とＸ線検出器１０２との間に備えられている。可動装置１１４には、Ｘ線アブソーバ１１１が固定されている。可動装置１１４は、計測対象物１０が設置される回転テーブル（試料台）１０３とＸ線を検出するＸ線検出器１０２との間のＸ線の行路内に、Ｘ線アブソーバ１１１を進退可能に設けられる。
【0106】
図１０は、Ｘ線アブソーバの作用について説明する図である。
図１０において、横軸は、Ｘ線照射装置１０１が出射するＸ線のエネルギ、縦軸は、Ｘ線照射装置１０１が出射するＸ線の強度を示す。破線は、Ｘ線アブソーバ１１１を透過していないＸ線のエネルギスペクトルであり、実線は、Ｘ線アブソーバ１１１を透過したＸ線のエネルギスペクトルである。
図１０において、横軸は、Ｘ線照射装置１０１が出射するＸ線のエネルギ、縦軸は、Ｘ線照射装置１０１が出射するＸ線の強度を示す。破線は、Ｘ線アブソーバ１１１を透過していないＸ線のエネルギスペクトルであり、実線は、Ｘ線アブソーバ１１１を透過したＸ線のエネルギスペクトルである。
【0107】
図１０に示すように、Ｘ線照射装置１０１が出射する制動Ｘ線は、通常、電子の加速エネルギを最大値とし、低エネルギから高エネルギにわたる幅広いスペクトルを示す。低エネルギのＸ線は物体を透過する能力が相対的に弱いため、Ｘ線アブソーバ１１１をＸ線が透過すると、図１０に示すように、Ｘ線のエネルギスペクトルが変化し、透過Ｘ線のエネルギが弱くなり、低エネルギ側が大きく減弱する。
【0108】
このようなＸ線アブソーバ１１１をＸ線の行路上に配置すると、Ｘ線照射装置１０１が、１種類のエネルギ域のＸ線を照射するＸ線源を備える場合であっても、Ｘ線のエネルギスペクトルを切り替えて、マルチエネルギ型の計測を行うことができる。複数のＸ線源を備える必要が無くなるため、Ｘ線ＣＴ装置１００を低コスト化することができる。但し、Ｘ線アブソーバ１１１は、Ｘ線照射装置１０１が２種類以上のエネルギ域のＸ線を照射するＸ線源を備える場合にも用いることができる。
【0109】
Ｘ線のエネルギスペクトルは、Ｘ線アブソーバ１１１の材質や、Ｘ線アブソーバ１１１のＸ線の行路上の長さ（厚さ）を変えることによって調節することができる。計測対象物１０がガンマ線を発生する場合、Ｘ線撮像によって得られるＣＴデータ（投影データ）にノイズが発生するが、Ｘ線アブソーバ１１１を用いると、ノイズを低減することができる。
【0110】
なお、図９において、可動装置１１４は、Ｘ線アブソーバ１１１を昇降させる方式とされているが、Ｘ線アブソーバ１１１がＸ線の行路上に位置する状態と、Ｘ線アブソーバ１１１がＸ線の行路上から外れる状態と、が切り替えられる限り、Ｘ線アブソーバ１１１をその他の方向に進退させる方式としてもよい。
【0111】
また、図９において、Ｘ線アブソーバ１１１は、可動装置１１４によって進退可能に設けられているが、計測対象物１０が設置される回転テーブル（試料台）１０３とＸ線を検出するＸ線検出器１０２との間には、可動装置１１４に固定されたＸ線アブソーバ１１１に代えて、着脱自在なＸ線アブソーバ１１１を、Ｘ線の行路内に取り付けてもよい。Ｘ線による計測毎に、Ｘ線アブソーバ１１１を脱着することにより、可動装置１１４のような機器を設けなくとも、マルチエネルギ型の計測を行うことができる。
【0112】
また、図９において、Ｘ線アブソーバ１１１は、計測対象物１０が設置される回転テーブル（試料台）１０３とＸ線を検出するＸ線検出器１０２との間に設けられているが、Ｘ線アブソーバ１１１は、計測対象物１０が設置される回転テーブル（試料台）１０３とＸ線を出射するＸ線照射装置（Ｘ線源）との間に設けてもよい。Ｘ線アブソーバ１１１で減弱したＸ線を計測対象物１０に照射し、Ｘ線検出器１０２で検出することにより、同様にマルチエネルギ型の計測を行うことができる。
【0113】
図１１は、本発明の変形例に係る核物質量計測方法を示すフローチャートである。
図１１に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測方法は、計測対象物１０がガンマ線を放射してノイズ源となる場合に、ノイズ除去処理を行う方法（変形例に係る核物質量計測方法）とすることもできる。
図１１に示すように、前記の実施形態に係る核物質量計測方法は、計測対象物１０がガンマ線を放射してノイズ源となる場合に、ノイズ除去処理を行う方法（変形例に係る核物質量計測方法）とすることもできる。
【0114】
変形例に係る核物質量計測方法が、前記の核物質量計測方法（図３参照）と異なる点は、Ｘ線ＣＴ装置１００において、Ｘ線を照射しない状態でノイズデータを取得する工程（ステップＳ１０５）と、計測対象物の計測データとノイズデータとを用いてノイズ除去処理を行う工程（ステップＳ１０６）と、を追加的に実施する点である。
【0115】
変形例に係る核物質量計測方法では、前記の実施形態と同様に、はじめに、核物質量の定量に用いる、互いにエネルギ域が異なる２種類以上のＸ線について、エネルギ域毎のエアデータを取得する（ステップＳ１０１）。そして、Ｘ線ＣＴ装置１００における計測系で、Ｘ線ＣＴ装置１００の回転テーブル１０３に計測対象物１０を設置し、計測対象物１０にＸ線を照射することなく計測対象物１０から放射されるガンマ線（Ｘ線）を検出してノイズデータ（計測データ）を取得する（ステップＳ１０５）。
【0116】
続いて、前記の実施形態と同様に、核物質量を定量しようとしている計測対象物１０にＸ線を照射して撮像を行い、透過Ｘ線による計測データを得る（ステップＳ１０２）。そして、計測対象物１０について取得した透過Ｘ線による計測データを、ステップＳ１０５で取得したノイズデータ（計測データ）でフィルタ処理してノイズの影響を除去する（ステップＳ１０６）。ガンマ線によるノイズの影響は、減算処理等のフィルタ処理を行うことによって除去することができる。
【0117】
変形例に係る核物質量計測方法によると、計測対象物１０がガンマ線を放射してノイズ源となる場合に、ノイズの影響を除去することができるため、計測対象物１０が高線量の放射性物質を含んでいるような場合であっても、高精度でＸ線の計測を行うことができる。そのため、密度（σ）や元素（原子番号Ｚ）の空間分布の情報も、３次元分布データに正確に反映されるようになり、核物質量の定量の精度を向上させることができる。
【0118】
以上、本発明について説明したが、本発明は、前記の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態や変形例が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態や変形例の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態や変形例の構成の一部を他の形態や変形例に追加したり、或る実施形態や変形例の構成の一部を省略したりすることができる。
【0119】
例えば、前記の搬送機構（２１，２２，２３）は、ファンビーム型Ｘ線照射装置１０１を備える核物質量計測装置に備えられているが、コーンビーム型Ｘ線照射装置１５１を備える核物質量計測装置に備えてもよい。また、互いにエネルギ域が異なる２種類以上の中性子線を出射可能な中性子線源（２０１Ａ，２０１Ｂ）を備える中性子計測装置２００は、ファンビーム型Ｘ線照射装置１０１を備える中性子計測装置２００と組み合わせてもよいし、コーンビーム型Ｘ線照射装置１５１を備える中性子計測装置２００と組み合わせてもよい。
【0120】
また、前記の核物質量計測装置は、Ｘ線ＣＴ装置１００として、Ｘ線照射装置１０１の電子線源が電子線形加速器である装置を備えているが、Ｘ線ＣＴ装置１００として、計測対象物に対する透過力が十分に備わっている限り、Ｘ線管球等をＸ線源とする他の装置を用いることもできる。また、Ｘ線照射装置１０１としては、パラレルビームを照射する装置や、計測対象物に対してＸ線源が回転するヘリカル式又はノンヘリカル式の装置を用いることもできる。Ｘ線によるマルチエネルギ型の計測は、管電圧が異なる複数のＸ線源から互いにエネルギ域が異なるＸ線を同時に照射して検出する方法や、単一のＸ線源で計測対象物の走査を反復して走査毎にＸ線のエネルギ域を切り替える方法や、単一のＸ線源の管電圧をパルス的にスイッチングする方法や、積層型のＸ線検出器を用いる方法等で行ってもよい。
【符号の説明】
【0121】
１０ 計測対象物
２１ ガイドレール
２２ 支持構造
２３ 把持装置
５１ ２次元ＣＴ画像
５２ 低密度物質
５３ 高密度物質
６１ ３次元立体画像
１００ Ｘ線ＣＴ装置
１０１ Ｘ線照射装置（Ｘ線源）
１０２ Ｘ線検出器
１０３ 回転テーブル
１０４ 昇降装置
１０５ ファンビーム
１２１ Ｘ線ＣＴ制御装置
１２２ ＣＴデータ収集装置
１２３ ＣＴ画像化装置
１５５ コーンビーム
２００ 中性子計測装置
２０１ 中性子線源
２０２ 中性子検出器
２０３ 回転テーブル
２２１ 中性子計測制御装置
２２２ 中性子計測データ収集装置
２９１ 記憶装置
３００ ３次元データ化装置
４００ 中性子計測シミュレーション装置（シミュレーション装置）
５００ 核物質量算出装置（算出装置）
２１ ガイドレール
２２ 支持構造
２３ 把持装置
５１ ２次元ＣＴ画像
５２ 低密度物質
５３ 高密度物質
６１ ３次元立体画像
１００ Ｘ線ＣＴ装置
１０１ Ｘ線照射装置（Ｘ線源）
１０２ Ｘ線検出器
１０３ 回転テーブル
１０４ 昇降装置
１０５ ファンビーム
１２１ Ｘ線ＣＴ制御装置
１２２ ＣＴデータ収集装置
１２３ ＣＴ画像化装置
１５５ コーンビーム
２００ 中性子計測装置
２０１ 中性子線源
２０２ 中性子検出器
２０３ 回転テーブル
２２１ 中性子計測制御装置
２２２ 中性子計測データ収集装置
２９１ 記憶装置
３００ ３次元データ化装置
４００ 中性子計測シミュレーション装置（シミュレーション装置）
５００ 核物質量算出装置（算出装置）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】